地理计划总结-详论臭氧层危机 精品

详论臭氧层危机
详论臭氧层危机
臭氧就是三原子氧（Ｏ3），是我们熟知的氧气的同素异形体。

从地面往上到大气边缘
都广泛存在臭氧，离地面约10~50千米的大气层中，含有较多的臭氧，称这个臭氧较
集中的气层为臭氧层，它跨平流层和中间层。

臭氧层是法国科学家C.法布里于20世纪初发现的。

臭氧层中，臭氧的浓度随高度变化，在离地面20—30公里处的臭氧浓度最高，也就是说浓度最大的区域出现在平流层的范
围内。

实际上，平流层保存了大气中90% 的臭氧。

臭氧层的臭氧含量与其他大气成分相比是很小的，其只是大气的微量成份，把整个臭
氧层的臭氧折算到标准状态(气压1013.25百帕、气温273.15K)，其总累积厚度为
0.15~0.45厘米，平均约0.30厘米，这种计量方法叫柱浓度法，采用多布森单位（Dobuson unit,简称D.U）来表示，正常大气中臭氧的柱浓度为300Ｄ.U。

臭氧层的主要作用是吸收紫外线。

一般我们将来自太阳的紫外辐射按照波长的大小分
为三个区：（１nm＝10-9ｍ）
325－400 nm ＵＶ－Ａ区
280－325 nm ＵＶ－Ｂ区
200－280 nm ＵＶ－Ｃ区
ＵＶ－Ａ区紫外线不能被臭氧有效吸收，但也不会造成地表生物圈的损害．事实上，
这一波段少量的紫外线也是地表生物所必须的，它可促进人体的固醇类转化成维生素Ｄ，缺乏维生素Ｄ会引起软骨病，尤其对儿童的生长发育产生不良影响；
ＵＶ－Ｂ区的紫外线是可能到达地表并对人类和生态系统造成最大危害的部分，正常
情况下大气中的臭氧可以吸收绝大部分的此波段的紫外线；
ＵＶ－Ｃ区的紫外线波长短，能量高，但能被大气中的氧气和臭氧完全吸收，即使平
流层的臭氧发生损耗，也不会到达地表。

由上可见，对人类来说大气中的臭氧主要作用是拦截对人类和生态系统有伤害作用的
ＵＶ－Ｂ区的紫外线，臭氧层是地表生物系统的保护伞。

1930年查普曼（Chapman）提出了一个纯氧体系的光化学反应机制，即平流层的臭氧则主要是氧气在太阳的紫外线的轰击下分解而成。

其生成过程如下所示：
Ｏ2 紫外线Ｏ产生的氧原子有很强的化学
活性
Ｏ2＋ＯＯ3 与氧气分子反应生成臭氧
臭氧的去除反应也是在紫外线的作用下进行的：
Ｏ3 紫外线Ｏ2＋Ｏ臭氧吸收紫外线被光解
Ｏ＋ＯＯ2 氧原子化合为氧气
以上生成和去处反应保持着动态的平衡。

1974年美国科学家约翰斯顿（Johnston）对以上过程作了定量计算，发现平流层的臭
氧的去除反应加上向对流层的臭氧输送，仅为臭氧生成量的20％，这一结果表明，平
流层的臭氧损耗还存在更重要的过程。

实际上，平流层大气尽管远比对流层稀薄，但也含有一定量的水汽、含氮化合物
和含卤族化合物等。

科学家发现，除了Chapman提出的臭氧去除反应外，平流层臭氧
更重要的去除途径是所谓催化反应机制：
Y + O3 YO+ O２Ｙ夺取臭氧分子的一个氧原子
YO+O Y+ O２释放氧原子形成氧气
其净结果是：O3+ O 2O２
其中的Y主要是指平流层中的三类物质，即奇氮（NO，NO２），奇氢（OH，HO２）和
奇氯（Cl, ClO）等。

在上述反应过程中，物质Y破坏了一个臭氧分子，但Y本身却并
没有被消耗，它还可以继续破坏另一个臭氧分子。

化学反应中起这样作用的物质称为
催化剂。

上述的反应称为催化反应。

科学家们把上述Ｙ物质称为“消耗臭氧层物质”，简称OSD。

上图显示了一个典型的臭氧去除反应过程。

自从20世纪30年代人类大量生产和氯氟碳类物质用于致冷剂、发泡剂、灭火剂等，
同时也被大量排放到空中，参与了臭氧层的去除过程。

主要OSD名称见下表：
分子式物质代号中文名称
CFCl３ CFC-11 三氯一氟甲烷
CF２Cl２ CFC-12 二氯二氟甲烷
C２F３Cl３ CFC-113 三氯三氟乙烷
C２F４Cl２ CFC-114 二氯四氟乙烷
C２F５Cl CFC-115 一氯五氟乙烷
CF３Cl CFC-13 一氯三氟甲烷
CF２ClBr Halon 1211 二氟一氯一溴甲烷
CF３Br Halon 1301 三氟一溴甲烷
1985年，英国科学家法尔曼（Farmen）等人总结他们在南极哈雷湾观测站（Halley Bay）的观测结果，发现从1975年以来，那里每年早春（南极10月份）总臭氧浓度的减少超过30%。

这个事实后来被美国科学家进一步证实。

但全球其它地区臭氧总量下降并不大，因而形象地称此现象为“南极臭氧洞”。

世界气象组织规定，凡大气层中臭氧总量小于200D.U时（相当于平均值的三分之二以下），才认为出现了臭氧洞。

南极臭氧层减少的现象被发现以来，南极臭氧空洞有加剧的趋势：
―――1994年南极臭氧洞中心浓度仅有88 D.U（1994年9月28日）
―――1995年空洞持续77天，最大面积相当于美国的面积
―――1996年空洞持续80天
―――1998年空洞面积空前扩大，大于北美洲的面积，持续的时间超过100天
为什么大气中OSD物质多来自于北半球，而臭氧层的损耗有以南极最为剧烈呢？
在南极地区的冬春两季，南极大陆被一个顺时针旋转的强大空气涡旋包围起来，这条绕极风带使得南极上空的空气相对封闭，阻碍了来自南极大陆以外区域的、富含臭氧的空气混入南极上空的空气中。

在涡旋中上升的空气气温下降速率极大，离地面20千米的高空（南极臭氧浓度最大高度），气温常低至-80℃~-90℃，大气中的OSD 气体大量凝结于冰晶中，浓度不断加大。

到了９月是南极的春季，极昼来临，冰晶云升温，释放出大量的OSD 气体，而OSD 气体在太阳紫外线的作用下释放Ｙ分子，臭氧的去除反应迅速进行，臭氧洞便形成并不断加深。

直到春末南极涡旋减弱消失，周围富含臭氧的空气进入南极，臭氧洞才会被填补。

科学家认为上述两个因素是导致南极地区臭氧损耗情况最为严重的主要原因。